哺乳動物遠緣雜交不育在自然界較為常見，在家養(yǎng)動物中，最具代表性的是牦牛和普通牛的雜交后代——犏牛。雌性犏牛有正常的生育力而雄性由于精子發(fā)生阻斷完全不育。雖然科研人員自上世紀80年代起就持續(xù)探索犏牛不育的機制，但導致其雜交不親和性的基因依然沒有得到確定。精準解析不同類型生殖細胞基因表達特征是篩選雜交不育基因的必要過程。由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組測序忽略了不同細胞基因表達的異質(zhì)性，無法檢測單個細胞的基因表達，目前，犏牛生殖細胞類型尚未得到精確鑒定，其發(fā)育過程中細胞命運及狀態(tài)轉(zhuǎn)變的基因表達動態(tài)也不清楚。

中國科學院西北高原生物研究所動物生態(tài)與資源保護研究團隊在前期對牦牛、普通牛和犏牛不同發(fā)育時期生精細胞形態(tài)學分析的基礎上，對12月齡牦牛和犏牛的睪丸組織進行了單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析，結(jié)合已知生殖細胞標記基因的表達情況，獲得了兩種動物生殖細胞發(fā)育軌跡和基因表達譜。結(jié)合標記基因、細胞群高表達基因和擬時序分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此發(fā)育階段的生殖細胞可以被定義為五種類型：未分化型精原細胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原細胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原細胞1（Diff-SPG1）、分化型精原細胞2（Diff-SPG2）和精母細胞（SPCs）。和牦牛相比，犏牛的五種生殖細胞比例均存在著明顯的差異，其未分化型精原細胞比例減少，而分化型精原細胞比例顯著增加，表明其精原細胞命運決定過程存在異常。通過對各個生殖細胞亞型的進一步比較，發(fā)現(xiàn)了一系列與細胞增殖和凋亡、精原細胞分化和減數(shù)分裂進入相關(guān)的基因異常表達。除生殖細胞外，牦牛和犏牛的體細胞比例雖然存在差異，但是差異表達基因較少，尤其是支持細胞。雖然支持細胞是生殖細胞直接接觸的唯一體細胞，在調(diào)控生殖細胞發(fā)育中發(fā)揮不可替代作用，但在單細胞水平，牦牛和犏牛支持細胞基因表達細胞無顯著差別，表明犏牛生殖細胞基因表達異常主要受內(nèi)源因素影響。通訊分析發(fā)現(xiàn)，犏牛的五種生殖細胞間接收和發(fā)送信號的能力降低，且與精子發(fā)生相關(guān)的EGF和FGF信號通路存在異常。體細胞與生殖細胞間的通訊在犏牛中也存在異常，表現(xiàn)為生殖細胞接收到了更多的來自間質(zhì)細胞的信號。以上結(jié)果表明犏牛的精原細胞自我更新、分化和減數(shù)分裂進入異常，這與基因表達異常和細胞通訊失調(diào)相關(guān)。本研究描繪了牦牛生殖細胞基因表達圖譜，以此為基礎，發(fā)現(xiàn)犏牛精原細胞命運決定和減數(shù)分裂啟動異常，研究結(jié)果為鑒定犏牛雄性不育因果基因提供了重要的數(shù)據(jù)。

相關(guān)研究結(jié)果以 Single-cell analysis identifies critical regulators of spermatogonial development and differentiation in cattle-yak bulls 為題，于4月18日在?Journal of Dairy Science（農(nóng)林科學1區(qū)TOP期刊）在線發(fā)表。西北高原所博士研究生張譯文為論文第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1200405），青海省自然科學基金（2020-ZJ-902）等項目的資助與支持。

論文鏈接：?https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(24)00759-8/fulltext

單細胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示犏牛精原細胞命運決定異常。A：牦牛和犏牛生殖細胞單細胞tSNE聚類圖；B：隨擬時序變化的不同類型生殖細胞基因表達特征分析；C：兩種牛精原細胞和早期精母細胞比例；D：細胞通訊分析顯示兩種牛不同類型精原細胞互作存在顯著差異。未分化型精原細胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原細胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原細胞1（Diff-SPG1）、分化型精原細胞2（Diff-SPG2）和精母細胞（SPCs）